酸中毒后室性心律失常的建模與仿真.pdf

1、每年由心臟病導(dǎo)致的死亡率不斷增加。因此，對于心臟生理和病理機制的研究刻不容緩。目前，利用計算機建模來模擬和仿真心臟電生理相關(guān)指標的方法，已成為交叉學(xué)科的研究熱點，它可以有效的克服動物實驗或者人體實驗的風(fēng)險性和局限性，大大提高相關(guān)研究人員的工作效率?；诖耍疚倪\用先進的計算機技術(shù)和數(shù)學(xué)建模知識建立了人體心室酸中毒計算模型，并基于該模型探討了酸中毒后心律失常的產(chǎn)生機制。
　　當(dāng)心臟發(fā)生病變，導(dǎo)致體內(nèi)酸性代謝產(chǎn)物增加時，心肌細胞就會呈

2、現(xiàn)酸中毒。研究發(fā)現(xiàn)：酸中毒會影響細胞內(nèi)鈣離子濃度以及細胞膜上的眾多離子電流，從而引起細胞興奮收縮障礙，促進心律失常的發(fā)生。尤其，在酸中毒后PH恢復(fù)的時刻細胞產(chǎn)生的觸發(fā)活動更加容易誘發(fā)心律失常，甚至?xí)葑優(yōu)槭宜倩蚴翌?。但是，由于實驗條件的限制，目前對于酸中毒后致心律失常機制的研究多集中在微觀層次上，且大多基于動物實驗，而酸中毒過程中微觀病理變化到心臟心律失常的發(fā)生、發(fā)展與轉(zhuǎn)化機制仍不清楚。
　　本文結(jié)合Decker等人提出的CaMK

3、II的動態(tài)模型，改進了Lascano等人的人類心室酸中毒模型，同時構(gòu)建多尺度(離子通道、細胞、組織)和多種生理及病理狀態(tài)(正常、酸中毒、酸中毒后)電生理模型，分析了酸中毒對離子濃度、動作電位和組織電異質(zhì)性的影響，探討其促進室性心律失常產(chǎn)生的內(nèi)在機制；并從系統(tǒng)生物學(xué)的角度，定量分析酸中毒微觀病理改變對心電圖的影響，闡明酸中毒微觀變化到宏觀心電圖改變的內(nèi)在機理。具體可以分為以幾部分：
　?。?）建立虛擬的人類心室酸中毒細胞模型，仿真了

4、從正常到酸中毒再到酸中毒恢復(fù)過程中細胞的離子濃度和動作電位隨PH變化的變化過程。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：酸中毒末期細胞內(nèi)和肌漿網(wǎng)內(nèi)的鈣濃度遠遠高于初始值。并且當(dāng)PH恢復(fù)的時刻，即酸中恢復(fù)的初期，由于肌漿網(wǎng)的鈣攝取和釋放失衡，細胞產(chǎn)生了延遲后除極。同時，酸中毒對細胞膜上相關(guān)離子通道的綜合調(diào)控作用使得細胞動作電位時程略微減小，最大去極化速率顯著降低。單細胞的這些仿真結(jié)果有效的驗證了已有的動物實驗和仿真實驗。
　?。?）在一維組織模型上仿真了酸中毒過

5、程中（正常到酸中毒再到酸中毒恢復(fù)）偽心電圖的變化過程。實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)：酸中毒可以導(dǎo)致細胞動作電位以及組織復(fù)極離散度的降低，造成相應(yīng)的心電圖QT間期縮短及T幅值和寬度減小。同時，酸中毒恢復(fù)初期細胞產(chǎn)生的觸發(fā)性電動勢，使得電興奮波在組織中傳導(dǎo)時產(chǎn)生了異位復(fù)極和異位除極，使對應(yīng)的心電圖表現(xiàn)為室性早搏。
　?。?）基于二維心室組織探討了折返波的產(chǎn)生條件和傳導(dǎo)過程。實驗結(jié)果表明：組織上酸中毒區(qū)域的細胞可以自發(fā)興奮，而且產(chǎn)生的觸發(fā)性電動勢可以帶

6、動周圍細胞的興奮，由于觸發(fā)活動、傳導(dǎo)緩慢和傳導(dǎo)阻滯等折返條件的產(chǎn)生，最終誘發(fā)組織產(chǎn)生了折返波。
　　本文綜合目前分子生物學(xué)對酸中毒后心律失常的研究，運用計算機強大的計算能力，構(gòu)建了從離子到細胞再到組織等層次上的心室計算模型，并運用所建單細胞模型仿真了由正常到酸中毒再到酸中毒恢復(fù)整個過程中離子、細胞電活動等生理特征的變化；接著，本文計算了基于一維心室跨壁纖維的心電圖的變化；最后本文運用建立的二維心室計算模型，仿真和研究了折返波的產(chǎn)生